2-乙基苯并噁唑的微波超聲波輔助合成

劉智軍, 張 平, 王 石, 謝建春, 孫寶國

(北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心/北京市食品風味化學重點實驗室,北京 100048)

隨著噁唑類化合物從天然產物中不斷被發現,噁唑類物質得到了越來越廣泛的關注.二芳基噁唑、苯并噁唑和苯乙烯基噁唑,由于具有廣泛的抗菌,抗病毒和鎮痛作用已被應用于醫藥領域[1-4].但關于噁唑類食用香料的研制和開發,目前還報道很少[5-6].

2-甲基苯并噁唑(FEMA 4398),2,4,5-三甲基噁唑(FEMA 4394)和4-乙基-2,5-二甲基噁唑(FEMA 4395)均是近年新批準使用的食用香料品種,可廣泛應用于咖啡、可可、堅果、煙草、糖果、油炸食品、焙烤食品及肉味香精中[7-8].本課題組前期報道了2,4,5-三甲基噁唑和4-乙基-2,5-二甲基噁唑的合成工藝[9].因微波超聲波輔助合成,具有反應時間短、反應選擇性好、產率高等優點[10-12],本課題組還嘗試了微波和超聲波輔助合成2-甲基苯并噁唑的工藝研究,所合成的2-甲基苯并噁唑具有濃郁的烤香和甜香香氣[13].噁唑類是近年才受到人們關注的一類香味物質,為了解該類化合物的香氣特點,在對2-甲基苯并噁唑研究基礎上,本文以2-氨基苯酚與丙酸為原料,微波超聲波輔助合成了2-乙基苯并噁唑,優化了反應條件,并用氣相色譜方法計算了產物粗產率,用質譜、IR、1H NMR等方法進行了結構鑒定,研究內容未見文獻報道.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA),分析純,天津市光復精細化工研究所;2-氨基苯酚、丙酸、乙酸乙酯、碳酸鈉,分析純,北京化學試劑公司.

1.2 儀器與設備

XH-300A型電腦微波超聲波組合合成/萃取儀,北京祥鵠科技發展有限公司;RE-52A型旋轉蒸發儀,上海亞榮生化儀器廠;CP3800型氣相色譜儀,美國Varian公司;Avater 370型傅里葉變換紅外光譜儀,美國Nicolet公司;Agilent 5973I/6890N型氣相色譜-質譜聯用儀,美國Agilent公司;Avance 300 MHz型核磁共振波譜儀,瑞士Brucker Biospin公司.

1.3 2-乙基苯并噁唑合成

2-乙基苯并噁唑合成反應如圖1,在裝有回流冷凝管、溫度計的100 mL三口燒瓶中加入0.028 mol(3.00 g)2-氨基苯酚,0.170 mol(12.60 g)丙酸,0.014 mol(4.85 g)多聚磷酸(PPA),設置微波功率和超聲波功率分別為800 W,控制溫度130℃,反應時間15 min.

圖1 2-乙基苯并噁唑的合成反應Fig.1 Reaction of synthesis of 2-ethylbenzoxazole

反應液冷卻,加入20 mL飽和NaCl溶液洗滌,取有機相,水相使用乙酸乙酯(3×15 mL)萃取,萃取液與有機相合并.合并液飽和Na2CO3溶液中和,去離子水洗滌,無水Na2SO4干燥,旋轉蒸發除溶劑,稱量,氣相色譜分析,粗產率采用式(1)計算(以2-氨基苯酚計).

粗品減壓蒸餾,收集9 kPa,110～120℃的餾分,產率計算見式(2)(以2-氨基苯酚計).質譜(氣相色譜-質譜聯用)、紅外光譜、核磁共振分析產物結構.

1.4 氣相色譜分析

毛細管色譜柱FFAP 30 m×0.25 mm×0.33 μm.柱溫程序為起始溫度50℃,13℃/min升溫至230℃,保持1 min.進樣口溫度250℃,進樣0.2 μL,分流比100∶1.載氣為N2,流速1 mL/min,檢測器FID,溫度250℃.

1.5 氣相色譜-質譜聯用分析

DB-WAX型毛細管色譜柱30 m×0.25 mm×0.25 μm,載氣為He.其他條件均與氣相色譜分析條件相同.電離電壓70 eV,離子源230℃,四級桿150℃,質量掃描范圍20～350 u,溶劑延遲3.0 min.

1.6 紅外光譜和核磁共振分析

紅外光譜分析采用Avater 370型傅里葉變換紅外光譜儀,KBr壓片法完成.氫核磁共振分析采用Brucker Avance 300 MHz核磁共振波譜儀進行,內標物為TMS,樣品溶劑為CDCl3.

2 結果與討論

2.1 2-氨基苯酚與丙酸物質的量比對產物生成的影響

固定催化劑PPA用量為4.00 g,2-氨基苯酚用量3.00 g,微波功率800 W,超聲波功率800 W,反應溫度120℃,反應時間15 min,改變2-氨基苯酚與丙酸的物質的量比,所得實驗結果如圖2.

圖2 2-氨基苯酚與丙酸物質的量比對產物生成的影響Fig.2 Influence of mole ratio of 2-aminophenol and propionic acid on yield of crude product

由圖2可知,隨著反應物丙酸用量的增加,產率先逐漸升高,然后呈下降趨勢,最佳反應2-氨基苯酚與丙酸的物質的量配比應在1∶5與1∶6之間,最后取1∶5.5(丙酸的質量為11.20 g).反應物丙酸過量,可提高反應產率,但丙酸用量增加到一定程度后粗產率下降,可能是產物為揮發性物質,處理多余的丙酸所需的中和及旋轉蒸發除溶劑時間過長,產物損失較多造成.

2.2 PPA用量對產物生成的影響

固定2-氨基苯酚用量3.00 g,丙酸11.20 g,微波和超聲波功率分別為800 W,反應溫度120℃,反應時間15 min,改變PPA與2-氨基苯酚的物質的量配比,所得實驗結果如圖3.

圖3 PPA與2-氨基苯酚的物質的量配比對產物生成的影響Fig.3 Effect of mole ratio of PPA and 2-aminophenol on yield of crude product

由圖3可知,催化劑PPA與2-氨基苯酚的物質的量配比由0.32∶1增加到0.52∶1(PPA用量由2.95 g增加到4.85 g)時,產物的粗產率顯著提高到65.17%;但PPA的量再增加時,觀察到反應液的顏色加深,反應液變得黏稠,后處理困難,粗產率反而下降為57.65%,由此確定最佳的PPA用量為4.85 g(PPA與2-氨基苯酚物質的量比為0.52∶1).

2.3 反應時間對產物生成的影響

固定2-氨基苯酚用量3.00 g,丙酸12.60 g,PPA用量為4.06 g,微波和超聲波功率為800 W,反應溫度130℃,改變反應時間,所得實驗結果如圖4.

圖4 反應時間對產物生成的影響Fig.4 Effect of reaction time on yield of crude product

由圖4可知,反應時間由5 min增加到15 min,粗產率顯著提高;反應時間為15 min時,粗產率最高,為64.19%;反應時間再增加到25 min時,反應液中有深褐色雜質出現,反應產率下降,由此確定最佳反應時間為15 min.

2.4 反應溫度對產物生成的影響

固定2-氨基苯酚用量3.00 g,丙酸12.44 g,PPA用量為4.06 g,微波和超聲波功率為800 W,反應時間15 min,改變反應溫度,微波加熱儀器為電腦控制,可實現較為精確的控溫,根據前期研究,回流溫度較好,因此主要在回流溫度附近取點,所得實驗結果如圖5.

由圖5可知,反應溫度115℃增加到130℃,粗產率逐漸提高,然后隨著溫度升高到135℃,產率反而下降,由此確定最佳反應溫度為130℃.

2.5 2-乙基苯并噁唑的合成結果

圖5 反應溫度對產物生成的影響Fig.5 Influence of reaction temperature on yield of crude product

經以上研究,確定2-乙基苯并噁唑的較佳合成工藝為原料2-氨基苯酚與丙酸的摩爾比1∶5.5(丙酸的量為11.20 g),催化劑PPA與2-氨基苯酚摩爾比0.52∶1,反應溫度130℃,時間15 min.此條件下,產物粗產率82.69%(氣相色譜分析含量54.32%).按照上述條件,重復3次,減壓蒸餾得2-乙基苯并噁唑5.82 g,產率為47.96%.產物為淡黃色透明液體,嗅聞有濃郁的青香、咸香、清甜、涼型香氣.

2.6 產物分析

將所得的2-乙基苯并噁唑的粗產物進行減壓蒸餾,產物氣相色譜檢測,含量為 99.78%.1H NMR,紅外光譜和質譜圖分別見圖6,圖7和圖8,譜圖解析見表1.

圖6 2-乙基苯并噁唑的1H-NMR譜圖Fig.6 1H-NMR spectrum of 2-ethylbenzoxazole

圖7 2-乙基苯并噁唑的紅外光譜圖Fig.7 IR spectrum of 2-ethylbenzoxazole

圖8 2-乙基苯并噁唑的質譜圖Fig.8 Massspectrum of 2-ethylbenzoxazole

表1 2-乙基苯并噁唑的質譜、紅外和核磁共振氫譜數據Tab.1 MS,IR,and1H-NMR data of 2-ethylbenzoxazole

通過質譜、紅外光譜、核磁共振對減壓蒸餾收集餾分進行表征,鑒定合成產物確為2-乙基苯并噁唑.

3 結 論

本研究獲得了微波及超聲波輔助合成2-乙基苯并噁唑的較佳工藝條件為微波和超聲波功率分別為800 W,丙酸與2-氨基苯酚的摩爾比5.5∶1,催化劑PPA與2-氨基苯酚摩爾比0.52∶1,反應溫度130℃,時間 15 min,減壓蒸餾處理后,得含量為99.78%的產物,產率為47.96%.產物結構通過質譜、紅外光譜、核磁共振進行鑒定.

與2-甲基苯并噁唑相比,2-乙基苯并噁唑雖然只多了一個亞甲基,但香氣特征變化較大,由濃郁的烤香變成了濃郁的青香,并帶有涼香,初步得出苯并噁唑類的分子結構對香氣特征影響顯著.這類香料化合物在食品加香中應用具有多樣性.

[1] Eicher T,Hauptmann S.The chemistry of heterocycles structures,reactions,synthesis and applications[M].2th ed.Weinheim:Wiley-VCH,2003:122-148.

[2] 周小平.4,5-二芳基噁唑類非甾體抗炎藥物的設計、合成及其生物活性的研究[D].長春:吉林大學,2005.

[3] Rida S M,Ashour F A,El-hawash S A M,et al.Synthesis of some novel benzoxazole derivatives as anticanceranti-HIV-1 andantimicrobial agents[J].Eur J Med Chem,2005,40(9):949-959.

[4] Xiang Pu,Zhou Tian,Wang Liang,et al.Novel benzothiazole,benzimidazole and benzoxazole derivatives as potential antitumor agents:synthesis and preliminary in vitro biological evaluation[J].Molecules,2012,17(1):873-883.

[5] Schnurch M,Hammerle J,Stanetty P.Product Class 13:benzoxazoles and other annulated oxazoles[J].Science of Synthesis,2010(1):153-206.

[6] Saha P,Ramana T,Purkait N,et al.Ligand-free cop-per-catalyzed synthesis of substituted benzimidazoles,2-aminobenzimidazoles, 2-aminobenzothiazoles, and benzoxazoles[J].Journal of Organic Chemistry,2009,74(22):8719-8725.

[7] Rovira D D.Dictionary of flavors[M].2th ed.Iowa:Wiley-Blackwell,2008:520,569.

[8] Flament I,Bessiere-Thomas Y.Coffee flavor chemistry[M].Chichester:John Wiley&Sons,2002:283.

[9] 王石,謝建春,孫寶國,等.食用香料2,4,5-三甲基噁唑和4-乙基-2,5-二甲基噁唑的合成[J].食品科學,2010,31(24):163-167.

[10] 余富朝,嚴勝驕,林軍.無溶劑反應在雜環合成中的應用進展[J].有機化學,2010,30(10):1421 1430.

[11] Yamakoshi Y,Miwa T.Effect of ultrasonic wave irradiation sequence in microhollow production produced by bubble cavitation[J].Japanese Journal of Applied Physics,2011,50(7):1-5.

[12] Cravotto G,Beggiato M,Penoni A,et al.High-intensity ultrasound and microwave,alone or combined,promote Pd/C-catalyzed aryl-aryl couplings[J].Tetrahedron Letters,2005,46(13):2267-2271.

[13] 王石,謝建春,靳林溪,等.微波及超聲波輔助合成食用香料2-甲基苯駢噁唑[J].食品科學,2011,32(22):119-123.